JP2009276127A - Tactile sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体の接触状態を検知する触覚センサに関する。 The present invention relates to a tactile sensor that detects a contact state of an object.
例えば、マニピュレータにより物体を把持して所定の作業を遂行する場合、物体に過剰な把持力が付与されると、物体が損傷してしまうおそれがある。一方、物体に十分な把持力が付与されないと、物体がマニピュレータから脱落してしまうおそれがある。 For example, when a predetermined operation is performed by gripping an object with a manipulator, the object may be damaged if an excessive gripping force is applied to the object. On the other hand, if sufficient gripping force is not applied to the object, the object may fall off the manipulator.
そこで、マニピュレータ等による物体の把持状態を検知することのできるセンサとして、物体から受ける垂直応力を把持力として検出する一方、物体から受ける剪断応力を滑り状態として検出する触覚センサが開発されている(特許文献1参照)。 Therefore, as a sensor that can detect the gripping state of an object by a manipulator or the like, a tactile sensor that detects a vertical stress received from the object as a gripping force and detects a shear stress received from the object as a sliding state has been developed ( Patent Document 1).
特許文献1に開示された触覚センサは、フレキシブルプリント基板上に、物体からの圧力を抵抗値の変化として検出する感圧素子と、物体から圧力が加わったときに微分型の電圧を発生させる圧電素子とを積層して構成される。垂直応力は、感圧素子によって検出することができ、剪断応力は、圧電素子によって検出することができる。 A tactile sensor disclosed in Patent Document 1 includes a pressure-sensitive element that detects pressure from an object as a change in resistance value on a flexible printed circuit board, and a piezoelectric that generates a differential voltage when pressure is applied from the object. It is configured by stacking elements. Normal stress can be detected by a pressure sensitive element and shear stress can be detected by a piezoelectric element.
しかしながら、感圧素子や圧電素子は、電気信号に基づいて応力を検出するため、屋外や工場内等の悪環境下においては、電磁波ノイズの影響を受け易く、精密な応力検出には適していない。また、触覚センサが損傷した場合には、漏電のおそれもある。 However, since pressure sensitive elements and piezoelectric elements detect stress based on electrical signals, they are susceptible to electromagnetic noise in adverse environments such as outdoors or in factories and are not suitable for precise stress detection. . Also, if the tactile sensor is damaged, there is a risk of leakage.
一方、トンネルや橋梁等の各種構造物、又は、地盤等の挙動を監視するセンサとして、光ファイバを用いた歪みセンサが開発されている(特許文献2参照)。 On the other hand, strain sensors using optical fibers have been developed as sensors for monitoring the behavior of various structures such as tunnels and bridges, or the ground (see Patent Document 2).
特許文献2に開示された歪みセンサは、コアにグレーティング(回折格子)が形成された光ファイバからなるFBGセンサ(Fiber Bragg Grating Sensor)であり、このFBGセンサを測定対象物に敷設しておき、グレーティングの部分に歪みが発生したときに、光ファイバに導入された光のグレーティングによる反射光の波長が変化する現象を利用して、測定対象物の歪みを検出するものである。 The strain sensor disclosed in Patent Document 2 is an FBG sensor (Fiber Bragg Grating Sensor) made of an optical fiber in which a grating (diffraction grating) is formed on a core, and the FBG sensor is laid on a measurement object. The distortion of the measurement object is detected by utilizing the phenomenon that the wavelength of the reflected light due to the grating of light introduced into the optical fiber changes when distortion occurs in the grating portion.
この場合、FBGセンサは、耐久性が高いだけでなく、電気信号を用いていないために、電磁波ノイズの影響を受けることがなく、測定対象物に生じた歪みを高精度に検出することができる。 In this case, the FBG sensor not only has high durability but also does not use an electric signal, so that it is not affected by electromagnetic noise and can detect distortion generated in the measurement object with high accuracy. .
しかしながら、特許文献2に開示されたFBGセンサは、測定対象物の歪みを検出できるだけであり、測定対象物から受ける剪断方向及び垂直方向の応力を同時に測定できる構成にはなっていない。 However, the FBG sensor disclosed in Patent Document 2 can only detect the strain of the measurement object and is not configured to simultaneously measure the stress in the shear direction and the vertical direction received from the measurement object.
本発明は、前記の不具合を解消するためになされたものであって、高い耐久性及び信頼性を備え、物体から受ける垂直応力及び剪断応力を同時に検出することができる触覚センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a tactile sensor that has high durability and reliability, and can simultaneously detect normal stress and shear stress received from an object. Objective.
前記の課題を解決するために、本発明は、物体から受ける剪断応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる剪断応力検出センサ部と、
前記物体から受ける垂直応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる垂直応力検出センサ部と、
を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a shear stress detection sensor unit including an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged along a plane parallel to a direction in which shear stress applied from an object is applied. ,
A vertical stress detection sensor unit comprising an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged along a plane parallel to a direction in which a normal stress received from the object is applied,
It is characterized by providing.
本発明の触覚センサでは、物体から受ける剪断応力及び垂直応力を、光信号に基づいて独立且つ同時に検出することができる。この場合、光信号を利用することにより、電磁波ノイズの影響を受けることがなく、また、漏電のおそれもないため、高い耐久性及び信頼性を実現して、剪断応力及び垂直応力を高精度に検出することができる。 In the tactile sensor of the present invention, shear stress and normal stress received from an object can be detected independently and simultaneously based on an optical signal. In this case, by using an optical signal, there is no influence of electromagnetic wave noise and there is no fear of electric leakage. Therefore, high durability and reliability are realized, and shear stress and normal stress are highly accurate. Can be detected.
図1は、本発明の触覚センサが適用されるロボットシステム10の構成図である。ロボットシステム10は、物体12を把持して所定の処理を行うマニピュレータ14と、マニピュレータ14のハンド部16a、16bに配設され、物体12に接触した状態で、ハンド部16a、16bによる物体12の把持状態を検出する触覚センサ18a、18bと、触覚センサ18a、18bを制御し、物体12の把持状態に係る情報である剪断応力及び垂直応力を取得する触覚センサコントローラ20と、触覚センサコントローラ20によって取得した剪断応力及び垂直応力に基づき、マニピュレータ14を制御するマニピュレータコントローラ22とを備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
この場合、物体12を把持する際に触覚センサ18a、18bが検出した剪断応力に基づき、ハンド部16a、16bに対する物体12の滑り状態を検知することができる。また、物体12を把持する際に触覚センサ18a、18bが検出した垂直応力に基づき、ハンド部16a、16bによる物体12の把持力を検知することができる。従って、剪断応力及び垂直応力に従ってハンド部16a、16bを制御することにより、物体12を脱落させることなく、適切な把持力で把持して所望の位置に移動させる等の作業を遂行することができる。
In this case, the sliding state of the
次に、図2に従い、触覚センサ18a、18bに用いられるFBGセンサ24の動作原理について説明する。
Next, the operation principle of the
FBGセンサ24は、光ファイバ26のコア28の一部に、紫外線を用いてグレーティング30A、30Bを形成して構成される。なお、図2では、2つのグレーティング30A、30Bを有するFBGセンサ24を例示している。
The
各グレーティング30A、30Bの周期をΛA、ΛB、コア28の有効屈折率をneffとすると、各グレーティング30A、30Bは、以下の(1)、(2)式を満たす波長λA、λB(ブラッグ波長)の光を反射し、その他の波長の光を透過させる。
When the periods of the
λA=2neffΛA …(1)
λB=2neffΛB …(2)
従って、図3に示す所定範囲の波長λからなる光を光ファイバ26のコア28に入射させると、ΛA≠ΛBとして、入射端側から波長λA、λBの反射光が得られる一方、出射端側からその他の波長の光が出力される。
λ A = 2n eff Λ A (1)
λ B = 2n eff Λ B (2)
Therefore, when light having a wavelength λ in a predetermined range shown in FIG. 3 is incident on the
ここで、図4に示すように、グレーティング30A、30B間に、光ファイバ26の長手方向に沿った矢印X1方向の剪断応力が加わると、グレーティング30Aの周期ΛAが短くなる一方、グレーティング30Bの周期ΛBが長くなる。従って、図5に示すように、グレーティング30Aによって反射される光の波長λA -は、波長λAよりも短くなる方向にシフトする一方、グレーティング30Bによって反射される光の波長λB +は、波長λBよりも長くなる方向にシフトする。
Here, as shown in FIG. 4, when a shear stress in the direction of the arrow X1 along the longitudinal direction of the
また、図6に示すように、グレーティング30A、30B間に、光ファイバ26の長手方向に沿った矢印X2方向の剪断応力が加わると、グレーティング30Aの周期ΛAが長くなる一方、グレーティング30Bの周期ΛBが短くなる。従って、図7に示すように、グレーティング30Aによって反射される光の波長λA +は、波長λAよりも長くなる方向にシフトする一方、グレーティング30Bによって反射される光の波長λB -は、波長λBよりも短くなる方向にシフトする。
Further, as shown in FIG. 6, when a shear stress in the direction of the arrow X2 along the longitudinal direction of the
以上の結果から、隣接する2つのグレーティング30A、30Bによって反射される光の波長λA、λBのシフト方向及びシフト量を検出することにより、剪断応力の向き及び大きさを求めることができる。
From the above results, the direction and magnitude of the shear stress can be obtained by detecting the shift direction and shift amount of the wavelengths λ A and λ B of the light reflected by the two
光ファイバ26の長手方向に加わる応力(垂直応力)は、1つのグレーティング30A又は30Bによって反射される光の波長λA又はλBのシフト量を検出することにより、その大きさを求めることができる。
The magnitude of the stress (vertical stress) applied in the longitudinal direction of the
図8は、図2に示すFBGセンサ24を利用した触覚センサ18a、18bの分解構成斜視図である。
FIG. 8 is an exploded perspective view of
触覚センサ18a、18bは、直交3軸座標系のX軸方向の剪断応力を検出するX方向剪断応力センサ部32と、Y軸方向の剪断応力を検出するY方向剪断応力センサ部34と、Z軸方向の垂直応力を検出するZ方向応力センサ部36とを積層して構成される。
The
X方向剪断応力センサ部32は、光ファイバ38の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング40がX軸方向に配列されるように、1本の光ファイバ38を配置し、この光ファイバ38を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材42にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング40の周期(図2の周期ΛA、ΛB参照)は、全て異なるものとする。
The X-direction shear
Y方向剪断応力センサ部34は、光ファイバ44の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング46がY軸方向に配列されるように、1本の光ファイバ44を配置し、この光ファイバ44を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材48にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング46の周期(図2の周期ΛA、ΛB参照)は、全て異なるものとする。図9は、X方向剪断応力センサ部32及びY方向剪断応力センサ部34の平面説明図である。
The Y-direction shear
Z方向応力センサ部36は、光ファイバ50の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング52がZ軸方向に配列されるように、1本の光ファイバ50を配置し、この光ファイバ50を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材54にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング52の周期(図2の周期ΛA、ΛB参照)は、全て異なるものとする。図10は、Z方向応力センサ部36のY−Z平面断面説明図である。
The Z-direction
なお、Z方向応力センサ部36は、図11に示すように、2本の光ファイバ56a、56bを千鳥状に配置することにより、各光ファイバ56a、56bに形成されるグレーティング52のZ方向応力センサ部36における実装密度を高くすることが可能である。
In addition, as shown in FIG. 11, the Z direction
触覚センサ18a、18bは、図12に示すように、X方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34及びZ方向応力センサ部36を積層して構成してもよいが、図13に示すように、X方向剪断応力センサ部32及びY方向剪断応力センサ部34を一体化した剪断応力センサ部35と、Z方向応力センサ部36とを積層して構成してもよい。
As shown in FIG. 12, the
また、触覚センサ18a、18bは、可撓性を有するシート体から形成することにより、任意の形状からなるハンド部16a、16bの表面に装着して使用することができる。
The
また、X方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34及びZ方向応力センサ部36は、それぞれ連続する1本の光ファイバ38、44及び50で構成しているが、複数の光ファイバに分割して構成してもよい。
The X-direction shear
図14は、以上のように構成される触覚センサ18a、18bを用いたロボットシステム10の構成ブロック図である。
FIG. 14 is a configuration block diagram of the
光源58から出力された光は、ビーム切替器60により時分割で選択されたハーフミラー62a〜62cの1つを介して、触覚センサ18a、18bを構成するX方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34又はZ方向応力センサ部36に供給される。
The light output from the
X方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34又はZ方向応力センサ部36の光ファイバ38、44又は50(図8)の一端部から入射した光は、一部の光がグレーティング40、46又は52により反射される一方、残りの光がグレーティング40、46又は52を透過した後、透過光終端器64a〜64cに導かれる。
A portion of the light incident from one end of the
グレーティング40、46又は52により反射された光は、ハーフミラー62a〜62cを介して触覚センサコントローラ20の反射光検出器66に導かれ、電気信号に変換される。なお、反射光検出器66は、入射した光を波長毎に分光して検出する分光器により構成される。X方向剪断応力センサ部32及びY方向剪断応力センサ部34からの光に係る電気信号は、剪断応力算出部68に供給される。また、Z方向応力センサ部36からの光に係る電気信号は、垂直応力算出部70に供給される。
The light reflected by the grating 40, 46 or 52 is guided to the reflected
剪断応力算出部68は、X方向剪断応力センサ部32の各グレーティング40によって反射された光の波長毎の電気信号に基づき、図5及び図7に示すように、隣り合うグレーティング40から得られた反射光の波長のX方向に対するシフト量及びシフト方向に従い、その部分に生じた剪断応力の大きさ及び向きを算出する。同様に、剪断応力算出部68は、Y方向剪断応力センサ部34からの反射光の波長のY方向に対するシフト量及びシフト方向に従い、その部分に生じた剪断応力の大きさ及び向きを算出する。そして、これらから、X−Y平面における物体12の滑り状態を検出することができる。
The shear
なお、グレーティング40、46は、X−Y平面内においてマトリックス状に配設されているため、各グレーティング40、46によって検出された滑り状態と、各グレーティング40、46の位置情報とに基づき、X−Y平面における滑り状態の分布を求めることができる。
Since the
垂直応力算出部70は、Z方向応力センサ部36の各グレーティング52によって反射された光の波長毎の電気信号に基づき、各グレーティング52から得られた反射光の波長のシフト量に従い、その部分に生じた垂直応力の大きさを算出する。この垂直応力から、Z方向に対する物体12の把持力を検出することができる。なお、グレーティング52は、X−Y平面内においてマトリックス状に配設されているため、X−Y平面における把持力の分布を求めることができる。
Based on the electrical signal for each wavelength of the light reflected by each grating 52 of the Z-
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change freely in the range which does not deviate from the main point of this invention.
例えば、図14に示すロボットシステム10において、光源58から出力された光をビーム切替器60により時分割して触覚センサ18a、18bに供給する代わりに、触覚センサ18a、18bを構成するX方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34及びZ方向応力センサ部36に対して、独立した3つの光源からそれぞれ光を供給する一方、X方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34及びZ方向応力センサ部36からの反射光を、独立した3つの反射光検出器によって検出するように構成してもよい。このように構成することにより、物体12から受ける剪断応力及び垂直応力を同時に検出することができる。
For example, in the
また、触覚センサ18a、18bは、ハンド部16a、16bによる物体12の把持状態の検出に限らず、例えば、物体の表面状態の検出にも適用することができる。
The
10…ロボットシステム
12…物体
14…マニピュレータ
16a、16b…ハンド部
18a、18b…触覚センサ
20…触覚センサコントローラ
22…マニピュレータコントローラ
24…FBGセンサ
26、38、44、50、56a、56b…光ファイバ
30A、30B、40、46、52…グレーティング
32…X方向剪断応力センサ部
34…Y方向剪断応力センサ部
35…剪断応力センサ部
36…Z方向応力センサ部
42、48、54…感圧部材
58…光源
60…ビーム切替器
62a〜62c…ハーフミラー
64a〜64c…透過光終端器
66…反射光検出器
68…剪断応力算出部
70…垂直応力算出部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記物体から受ける垂直応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる垂直応力検出センサ部と、
を備えることを特徴とする触覚センサ。 A shear stress detection sensor unit comprising an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged along a plane parallel to a direction in which shear stress is applied from an object,
A vertical stress detection sensor unit comprising an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged along a plane parallel to a direction in which a normal stress received from the object is applied,
A tactile sensor comprising:
前記剪断応力検出センサ部及び前記垂直応力検出センサ部は、可撓性を有するシート体として形成されることを特徴とする触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 1,
The tactile sensor, wherein the shear stress detection sensor unit and the vertical stress detection sensor unit are formed as a flexible sheet.
前記剪断応力検出センサ部は、前記剪断応力の付与方向と平行な面内の直交する2方向にグレーティングを配列した光ファイバからなることを特徴とする触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 1,
The tactile sensor according to claim 1, wherein the shear stress detection sensor unit includes an optical fiber in which gratings are arranged in two orthogonal directions within a plane parallel to the direction in which the shear stress is applied.
前記剪断応力検出センサ部は、前記剪断応力の付与方向と平行な面内の異なる複数の位置に配置されるグレーティングを有し、前記各グレーティングは、互いに異なる特定波長の光を反射することを特徴とする触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 1,
The shear stress detection sensor unit has gratings arranged at a plurality of different positions in a plane parallel to the direction in which the shear stress is applied, and each grating reflects light having a specific wavelength different from each other. A tactile sensor.
前記剪断応力検出センサ部は、隣接する2つの前記グレーティングにより構成され、前記2つのグレーティングによって反射される光の波長のシフト方向及びシフト量に基づき、前記剪断応力の向き及び大きさを検出することを特徴とする触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 1,
The shear stress detection sensor unit includes two adjacent gratings, and detects the direction and magnitude of the shear stress based on the shift direction and shift amount of the wavelength of light reflected by the two gratings. Tactile sensor characterized by
前記垂直応力検出センサ部は、前記垂直応力の付与方向と直交する面内の異なる複数の位置に配置されるグレーティングを有し、前記各グレーティングは、互いに異なる特定波長の光を反射することを特徴とする触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 1,
The vertical stress detection sensor unit includes gratings arranged at a plurality of different positions in a plane orthogonal to the direction in which the vertical stress is applied, and the gratings reflect light having specific wavelengths different from each other. A tactile sensor.
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